میلگرد فولادی ck45 یکی از پرکاربردترین فولادهای آلیاژی کربنی متوسط است. ck45 که به دلیل خواص مکانیکی برجسته، قابلیت عملیات حرارتی، و قیمت اقتصادی در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، ماشین‌سازی، نفت و گاز، و کشاورزی به طور گسترده استفاده می‌شود. این فولاد، که در استاندارد DIN آلمان با کد ۱٫۱۱۹۱ و در استاندارد SAE آمریکا با نام ۱۰۴۵ شناخته می‌شود. میلگرد ck45 به دلیل استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش و ضربه، و قابلیت ماشین‌کاری مناسب، گزینه‌ای ایده‌آل برای تولید قطعات صنعتی تحت تنش‌های مکانیکی می باشد.
میلگرد ck45
میلگرد ck45 در دسته فولادهای غیرآلیاژی یا کربنی متوسط قرار می‌گیرد و به دلیل ترکیب شیمیایی خاص خود، امکان بهبود خواص مکانیکی از طریق عملیات حرارتی را فراهم می‌کند. فولاد ck45 به اشکال مختلفی مانند میلگرد، ورق، تسمه، و شمش تولید می‌شود و در ایران، هم به صورت تولید داخلی (توسط شرکت‌هایی مانند فولاد اسفراین و یزد) و هم به صورت وارداتی (از کشورهایی مانند کره جنوبی و اوکراین) در دسترس بازار می باشد. هدف این مقاله، بررسی جامع ویژگی‌ها، ترکیبات شیمیایی، عملیات حرارتی، کاربردها، و محدودیت‌های فولاد CK45 است تا درک کاملی از این ماده پرکاربرد در صنعت ارائه شود.
معایب و مزایا میلگرد ck45
معایب؛
عدم مقاومت در برابر خوردگی: به دلیل کمبود کروم، در محیط‌های مرطوب یا حاوی نمک مستعد زنگ‌زدگی است.
جوش‌پذیری محدود: نیاز به پیش‌گرمایش و خنک‌سازی کنترل‌شده برای جلوگیری از ترک.
سختی‌پذیری محدود: دستیابی به سختی‌های بسیار بالا (بیش از ۴۰ راکول C) دشوار است.
حساسیت به شرایط عملیات حرارتی: عدم کنترل دقیق دما و سرعت خنک‌سازی می‌تواند به نتایج ناهمگن منجر شود.
مزایا؛
استحکام و سختی بالا: مناسب برای کاربردهای تحت تنش و سایش.
قابلیت ماشین‌کاری: امکان تولید قطعات پیچیده با دقت بالا.
قیمت اقتصادی: نسبت به فولادهای آلیاژی با کروم یا مولیبدن، مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
در دسترس بودن: تولید داخلی و وارداتی گسترده در ایران.
قابلیت عملیات حرارتی: امکان بهبود خواص مکانیکی برای کاربردهای خاص.
مقایسه با سایر فولادها؛
CK45 در مقایسه با MO40 ؛ ترکیب شیمیایی: CK45 حاوی نیکل است، اما MO40 دارای کروم و مولیبدن است که مقاومت به خوردگی و سایش را افزایش می‌دهد. سختی CK45 (207 برینل) کمی بیشتر از MO40 (197 برینل) است، اما MO40 در محیط‌های خورنده عملکرد بهتری دارد. هر دو برای قطعات صنعتی استفاده می‌شوند، اما MO40 برای کاربردهای با تنش حرارتی بالا مناسب‌تر است.
CK45 در مقایسه با ST52؛ ترکیب شیمیایی: ST52 دارای کروم، نیکل، و مولیبدن است که در CK45 وجود ندارد. ST52 در مقاطع لوله‌ای تولید می‌شود، اما CK45 خیر. ST52 برای سازه‌های ساختمانی مناسب‌تر است. هر دو مقاوم هستند، اما CK45 به دلیل کربن بالاتر، سختی سطحی بیشتری دارد.
ترکیب شیمیایی فولاد CK45
ترکیب شیمیایی فولاد CK45 نقش کلیدی در تعیین خواص مکانیکی و فیزیکی آن دارد. این فولاد به خاطر داشتن عنصر کربن متوسط (حدود ۰٫۴۵ درصد) در دسته فولادهای کربنی متوسط قرار می‌گیرد. جدول زیر ترکیب شیمیایی استاندارد فولاد CK45 را بر اساس استاندارد DIN نشان می‌دهد:
توضیحات ترکیبات:
عنصر کربن؛
مقدار کربن (۰٫۴۵%) باعث افزایش سختی و استحکام کششی فولاد می‌شود، اما جوش‌پذیری آن را کاهش می‌دهد. این سطح کربن، CK45 را برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر تنش‌های مکانیکی دارند، مناسب می‌کند.
عنصر منگنز؛
منگنز (۰٫۶۵%) به بهبود استحکام و چقرمگی کمک می‌کند و سختی‌پذیری فولاد را در طی عملیات حرارتی افزایش می‌دهد.
عنصر سیلیسیم؛
سیلیسیم (۰٫۲۵%) به افزایش استحکام و خاصیت ارتجاعی فولاد کمک می‌کند و در فرآیند ریخته‌گری نقش مهمی دارد.
عناصر فسفر و گوگرد؛
این عناصر به مقدار کم در فولاد CK45 وجود دارند تا از تردی و کاهش کیفیت جلوگیری شود.
عناصر نیکل و کروم؛
حضور مقدار ناچیز نیکل و کروم باعث بهبود برخی خواص مکانیکی می‌شود، اما به دلیل کمبود کروم، فولاد CK45 در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی مقاوم نیست.
این ترکیب شیمیایی باعث می‌شود فولاد CK45 تعادل خوبی بین سختی، استحکام، و قابلیت ماشین‌کاری داشته باشد، اما به دلیل کمبود کروم، در محیط‌های مرطوب یا حاوی نمک مستعد خوردگی است.
خواص مکانیکی و فیزیکی میلگرد ck45
میلگرد فولادی CK45 به دلیل خواص مکانیکی و فیزیکی مطلوب، در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. برخی از مهم‌ترین خواص این فولاد عبارتند از:
خواص مکانیکی
- استحکام کششی: ۵۷۰ تا ۷۰۰ مگاپاسکال (بسته به عملیات حرارتی)
- تنش تسلیم: حداقل ۳۵۵ مگاپاسکال
- سختی: سختی برینل (HB) در حالت نرمال بین ۱۷۰ تا ۲۱۰ و پس از عملیات حرارتی تا ۳۰-۴۰ راکول C قابل دستیابی است.
- چقرمگی: مقاومت خوب در برابر ضربه، به‌ویژه برای قطعاتی که تحت تنش‌های دینامیکی قرار دارند.
- قابلیت ماشین‌کاری: به دلیل ساختار فریتی-پرلیتی، قابلیت ماشین‌کاری خوبی دارد، به‌ویژه پس از عملیات آنیلینگ.
- جوش‌پذیری: به دلیل کربن بالا، جوش‌پذیری متوسطی دارد و نیاز به پیش‌گرمایش (۲۰۰-۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) و خنک‌سازی کنترل‌شده دارد.
خواص فیزیکی
- دانسیته: ۷٫۸۵ کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب
- هدایت حرارتی: ۵۱٫۹ وات بر متر-کلوین
- ضریب انبساط حرارتی: ۱۱٫۲ میکرومتر بر متر در درجه سانتی‌گراد
- نقطه ذوب: حدود ۱۴۵۰-۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد
این خواص، فولاد CK45 را برای استفاده و کاربردهایی که نیاز به استحکام، مقاومت در برابر سایش، و تحمل تنش‌های مکانیکی دارند، ایده‌آل می‌کند. با این حال، عدم مقاومت در برابر خوردگی، استفاده از آن را در محیط‌های خورنده محدود می‌کند
شفت هارد کروم
عمر قطعات و وسایلی که با پوشش کروم هارد یا سخت محافظت می شوند؛ ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر از قطعات مشابه است.
عملیات حرارتی فولاد ck45
فولاد CK45 به دلیل قابلیت پذیرش عملیات حرارتی، امکان بهبود خواص مکانیکی مانند سختی، استحکام، و چقرمگی را دارد. مهم‌ترین عملیات حرارتی قابل انجام بر روی این فولاد شامل موارد زیر است:
آنیلینگ (Annealing)؛
به منظور کاهش تنش‌های داخلی، بهبود قابلیت ماشین‌کاری، و ایجاد ساختار یکنواخت فریتی-پرلیتی. دمای آنیلینگ ۶۵۰ تا ۷۰۰ درجه می باشد. روش آنیلینگ شامل مراحل مشروح است. ابتدا قطعه در کوره تا دمای مشخص گرم شده و سپس به آرامی در کوره خنک می‌شود. این فرآیند برای آماده‌سازی فولاد برای ماشین‌کاری یا عملیات بعدی مناسب است.
نرمال‌سازی (Normalizing)؛
دمای نرمالایزینگ ۸۴۰ تا ۸۸۰ درجه می باشد. هدف از نرماله کردن بهبود استحکام و یکنواختی ساختار بلوری است. روش آن به این ترتیب است که قطعه تا دمای مشخص گرم شده و در هوا خنک می‌شود. این فرآیند باعث ایجاد ساختار ریزدانه‌تر و افزایش مقاومت مکانیکی می‌شود.
فورجینگ (Forging)؛
برای شکل‌دهی قطعات با حفظ خواص مکانیکی است. دما ۸۵۰ تا ۱۱۵۰ درجه بوده و روش آن به شرح زیر است. فولاد در دمای بالا تحت فشار یا ضربه شکل می‌گیرد. این فرآیند برای تولید میلگرد، شفت، و قطعات بزرگ استفاده می‌شود.
سخت‌کاری (Hardening)؛
دمای آن ۸۲۰ تا ۸۶۰ درجه است. هدف، افزایش سختی سطحی و مقاومت در برابر سایش می باشد. روش آن قطعه تا دمای مشخص گرم شده و سپس در آب (۸۳۰-۸۶۰ درجه) یا روغن (۸۲۰-۸۵۰ درجه) کوئنچ می‌شود. این فرآیند سختی سطحی را تا ۳۰-۴۰ راکول C افزایش می‌دهد، اما ممکن است تردی ایجاد کند.
تمپرینگ (Tempering)؛
با هدف کاهش تردی ناشی از سخت‌کاری و تنظیم سختی و چقرمگی انجام می شود. دمای تمپرینگ ۵۵۰ تا ۶۶۰ درجه است.ابتدا قطعه پس از سخت‌کاری دوباره گرم شده و به آرامی خنک می‌شود. این فرآیند تعادل بین سختی و چقرمگی را فراهم می‌کند.
تنش‌زدایی (Stress Relieving)؛
در دما ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه انجام می شود. به منظور کاهش تنش‌های باقی‌مانده از فرآیندهای قبلی مانند جوشکاری یا ماشین‌کاری. برای تنش زدایی قطعه به آرامی گرم و خنک می‌شود تا از تغییر شکل یا ترک‌خوردگی جلوگیری شود.
چالش‌های عملیات حرارتی
یکی از مشکلات سخت‌کاری فولاد CK45، عدم یکنواختی سختی در دفعات مختلف است. برای دستیابی به سختی بالاتر از ۴۰ راکول C، نیاز به روش‌های خاص و کنترل دقیق فرآیند است که ممکن است هزینه‌بر باشد. همچنین، جوشکاری این فولاد به دلیل کربن بالا نیاز به پیش‌گرمایش و خنک‌سازی کنترل‌شده با موادی مانند ماسه یا خاکستر دارد تا از ترک‌خوردگی جلوگیری شود.
کاربرد فولاد ck45
به دلیل خواص مکانیکی مناسب، قیمت اقتصادی، و در دسترس بودن، در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد. برخی از مهم‌ترین کاربردها عبارتند از:
- صنایع خودروسازی
قطعات: شفت‌ها، میل‌لنگ، پیستون‌ها، میله‌های اتصال، و محورها.
دلیل استفاده: استحکام بالا و مقاومت در برابر تنش‌های مکانیکی و خستگی.
- ماشین‌سازی
قطعات: چرخ‌دنده‌ها، غلتک‌های صنعتی، یاتاقان‌ها، و بوش‌ها.
دلیل استفاده: قابلیت ماشین‌کاری خوب و مقاومت در برابر سایش.
- صنایع نفت و گاز
قطعات: اتصالات مکانیکی، محورها، و قطعات تحت فشار.
دلیل استفاده: تحمل تنش‌های بالا و پایداری در شرایط کاری سخت.
- کشاورزی
ابزارها: گاوآهن، تیغه‌های خاک‌ورز، و ابزارهای دستی.
دلیل استفاده: مقاومت در برابر سایش و ضربه در محیط‌های خشن.
- تجهیزات نظامی
قطعات: اجزای ماشین‌آلات نظامی و قطعات با تنش بالا.
دلیل استفاده: استحکام و مقاومت در برابر فرسایش.
- ساخت ابزار
ابزارها: چکش، انبردست، چاقو، و تیغه‌های ماله‌کشی.
دلیل استفاده: سختی مناسب و قابلیت شکل‌دهی.
اشکال تولیدی
فولاد CK45 به صورت‌های زیر تولید می‌شود:
میلگرد CK45: با قطرهای ۸ تا ۸۰۰ میلی‌متر، برای شفت‌ها و قطعات صنعتی.
ورق CK45: با ضخامت ۳ تا ۵۰ میلی‌متر و ابعاد استاندارد (مانند ۲۰۰۰*۶۰۰۰ میلی‌متر)، برای ساخت قطعات و ابزارها.
تسمه CK45: برای کاربردهای دقیق و قطعات کوچک.
شمش و بیلت CK45: برای فورجینگ و تولید قطعات سفارشی.
فولاد ck45 در ایران
وضعیت تولید و بازار در ایران
در ایران، فولاد CK45 توسط شرکت‌های داخلی مانند فولاد اسفراین و یزد تولید می‌شود و همچنین از کشورهایی مانند کره جنوبی و اوکراین وارد می‌شود. قیمت این فولاد به عواملی مانند کیفیت، ابعاد، و نرخ ارز بستگی دارد. تحریم‌ها باعث شده تولید داخلی این فولاد افزایش یابد، اما همچنان محصولات وارداتی به دلیل کیفیت بالا در بازار تقاضا دارند.
نتیجه‌گیری
فولاد CK45 به دلیل ترکیب شیمیایی متعادل، خواص مکانیکی مطلوب، و قابلیت عملیات حرارتی، یکی از پرکاربردترین فولادهای کربنی متوسط در صنایع مختلف است. این فولاد با استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش و ضربه، و قابلیت ماشین‌کاری، برای تولید قطعات صنعتی مانند شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها، و ابزارهای کشاورزی ایده‌آل است. با این حال، محدودیت‌هایی مانند عدم مقاومت در برابر خوردگی و جوش‌پذیری متوسط، استفاده از آن را در برخی کاربردها محدود می‌کند. در ایران، تولید داخلی و وارداتی این فولاد امکان دسترسی گسترده به آن را فراهم کرده و با توجه به قیمت اقتصادی، همچنان گزینه‌ای جذاب برای تولیدکنندگان است. تحقیقات آینده می‌توانند بر بهبود مقاومت خوردگی و بهینه‌سازی عملیات حرارتی این فولاد تمرکز کنند تا کاربردهای آن گسترش یابد.
